无机非金属材料研究方法重点.docx
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无机非金属材料研究方法重点
材料研究方法重点
一、光学显微分析
（一）晶体光学基础
1、自然光经过某些物体的反射、折射及吸收等作用，得到只在一个固定方向振动的光波，这种光波被称为偏振光，简称偏光。
2、光性均质体：
在光学性质上显示各向同性的物体。
一切非晶质体，对称性极高的立方（等轴）晶系的晶体属于光性均质体。
特点：
光波在均质体中的传播速度不因传播方向的变化而变化。
3、光性非均质体：
在光学性质上显示各向异性的物体。
中级晶族和低级晶族的晶体属于光性非均质体，中级晶族的晶体有一根光轴，称为一轴晶；低级晶族的晶体有两根光轴，称为二轴晶。
4、光性非均质体光率体：
一轴晶光率体为以c轴为旋转轴的旋转椭球体（二轴椭球体）；二轴晶光率体为三轴椭球体，三个互相垂直的轴代表了二轴晶的三个主要光学方向，称为光学主轴（简称主轴）。
（二）偏光显微镜
1、物镜的分辨率是物镜重要的性能指标，是指物镜分辨物体上细微特征的本领，具体来说就是能够分开两点之间的最短距离。
显微镜的分辨率取决于物镜的分辨率，而与目镜无关。
2、提高显微镜的分辨率的措施：
（1）降低波长λ值；
（2）增大观察试样与物镜前透镜间介质折射率N的值；
（3）增大孔径半角α以提高数值孔径。
3、利用偏光显微镜系统研究透明矿物的光学性质，一般按下面三个光学系统和程序进行：
单偏光、正交偏光和聚敛偏光（锥光）。
（1）单偏光系统是指只使用下偏光镜，推出上偏光镜、勃氏镜和拉索聚光镜的光学系统，它是其它光学系统的基础。
A、根据晶体不同的形貌特征划分为自形晶、半自形晶、他形晶。
B、矿物的解理：
矿物晶体在外力作用下沿一定方向裂开成光滑平面的性质。
C、矿物的糙面：
P24。
D、贝克线：
当缓慢提升镜筒时，贝克线移向折射率较高的矿物一边；下降镜筒时，贝克线朝向折射率较低的矿物一边移动，根据贝克线的移动规律，可以比较相邻两种矿物的折射率大小。
（2）同时使用上、下两个偏光镜，并使两者振动方向互相垂直，构成近似平行传播的正交偏光系统。
A、消光现象：
在上、下偏光镜之间放置非均质体薄片时，对于垂直于光轴的切片，由于光率体的切面为圆切面。
其光学效应与均质体薄片完全一样，呈现全消光现象。
B、对于非均质体垂直于光轴以外任意方向的切片，不在消光位时，由于发生双折射现象，一条光线分解成为两条传播速度不同且振动方向互相垂直的平面偏光，两偏光将会发生干涉作用，产生干涉色。
（3）聚敛偏光：
是指在正交偏光系统的基础上加拉索聚光镜，换上高倍物镜，再推入勃氏镜（或去掉目镜）。
1
（三）反光显微镜
1、反光显微镜的构造与偏光显微镜基本相同，只是增加了一个供反射照明用的垂直照明器装置。
2、在白光照射偏光显微镜单偏光条件下矿物呈现的颜色，称为矿物的颜色；而反光显微镜下光片上矿物颗粒所显示的颜色，则称为矿物的反射色。
3、当一束白光照射到矿物的抛光面上，除了部分光线被反射的吸收外，还有一部分光线入射到矿物内部，当入射光遇到矿物内部的解理、裂隙、空洞及包裹体等，则在不同介质的分界面处被反射回来。
这就是内反射作用。
4、矿物的颜色、反射色和内反射色三者有着不同的概念：
矿物的颜色是矿物对白光中七色波选择性吸收的结果；反射色（表面）是指矿物的光滑表面或磨光面上，因选择性反射作用所造成的颜色；内反射色（体色）是矿物内部反射作用（包括光的干涉作用）所形成的颜色。
由于三种颜色的成因不同，在不同的矿物上会呈现不同的特征。
二、X射线衍射分析
（一）X射线的物理基础
1、X射线是波长极短的电磁波，其波长范围在0.001～10nm，波长介于紫外线和γ射线之间。
2、产生X射线必须具备以下四个条件：
（1）有产生自由电子的电源，如加热钨丝发射热电子。
（2）设置自由电子撞击靶，如阳极靶用以产生X射线。
（3）施加在阴极和阳极之间的高压。
（4）将阴阳两极封闭在高真空中。
3、X射线谱
（1）连续X射线谱又称为白色X射线谱，它有一个强度的最大值和波长的最小值，强度最大值所对应的波长用λmax表示，波长的最小值称为短波限，用λ0表示。
（2）特征X射线谱又称为标识X射线谱，它是由若干条特定波长的谱线构成，谱线的波长与X射线管的管电压、管电流等工作条件无关，只取决于阳极靶材料，特征X射线谱具有一定的激发电压，每种物质的激发电压是一个定值。
莫塞莱定律：
√1／λ＝K（Z-σ）表明物质发出的特征波长与它本身的原子序数间关系。
4、X射线散射分为相干散射和非相干散射。
5、光电效应：
是光子激发原子所产生的激发辐射过程。
6、俄歇效应：
由光电效应使原子内层出现空位，外层电子跳入此空位会产生荧光X射线，或能量传递给其他外层电子，使之脱离原子。
7、X射线强度衰减规律，计算题，P61。
8、质量吸收系数与波长的关系图像中，曲线突变点处所对应的波长称为吸收限。
9、阳极靶材料最合理的选择：
靶元素的特征波长λkα必须稍大于试样元素的K系吸收限λk。
10、滤波片选择：
选取适当的材料使其K系吸收限λk正好位于所用Kα和Kβ线的波长之间。
（二）X射线衍射的几何条件
1、布拉格方程：
干涉加强条件，2dsinθ=nλ。
2、衍射产生的必要条件：
选择反射（反射定律+布拉挌方程）。
（三）X射线衍射强度
1、因｜FHKL｜∧2=0而使衍射线消失的现象称为系统消光。
2、衍射产生的充分必要条件：
选择反射和｜FHKL｜∧2≠0。
2
3、吸收因子：
由于入射线和衍射线在通过试样时会被吸收而使衍射强度下降，所以在衍射强度计算公式中引入吸收因子A（θ）以校正试样吸收对衍射强度的影响。
（四）X射线衍射方法
1、单晶体衍射方法
（1）劳埃法：
是用连续X射线照射固定的单晶试样产生的衍射方法。
（2）转晶法：
是用单色特征X射线照射转动的单晶试样产生的衍射方法。
2、多晶体衍射方法，粉末法是采用单色特征X射线照射多晶粉末试样的衍射方法。
3、德拜相机，根据底片圆孔位置和开口所在位置不同，安装方法分：
正装法、反装法、偏装法。
4、衍射花样指数标定，计算题，P90。
5、衍射图中衍射线的强度一般可直接通过峰高强度和积分强度确定。
（五）物相分析
1、物相分析就是利用X射线衍射方法，确定材料由哪些相组成（物相定性分析），即确定物质中所包含的结晶物质以何种结晶状态存在，在此基础上可进一步确定各相的含量（物相定量分析）。
2、衍射线的位置取决于晶胞的形状和大小，而衍射线的强度取决于晶胞中原子的种类、位置和数目。
3、PDF卡片索引总可分为有机物索引和无机物索引，按检索方法每类又分为数值索引和字母索引。
4、数值索引是按d值数列检索，常用的有哈那瓦特索引和芬克索引。
5、物相定量分析:
多相混合物中各相衍射线的强度随该相含量的增加而增加，但由于试样吸收等因素的影响，一般，某相的衍射强度与某相对含量并不呈直线关系，而是曲线关系。
如果用实验测量或理论分析等方法确定了该关系曲线，就可以从实验测得的强度算出该相的含量，这就是定量分析的依据。
三、电子显微分析
（一）电子光学基础
1、电子波可以作为照明光源，由此形成电子显微镜。
2、静电透镜P113，透射式电子显微镜中的电子枪就是一个静电透镜。
3、电磁透镜P113，电子显微镜中除电子枪以外的其他透镜常采用电磁透镜。
4、电磁透镜是一个可变焦距的透镜，所以在透射电子显微镜中，电磁透镜的位置是固定的，物距也保持不变，物或图像的聚集和放大是通过改变电磁透镜的焦距来实现的。
5、电磁透镜的像差主要有球差、像散和色差等。
6、球差的产生是由于电磁透镜磁场的区和远轴区对电子束的会聚能力不同。
7、球差是像差影响透镜分辨本领的最产要因素。
8、像散的产生是由于透镜磁场不是理想的旋转对称磁场引起的。
9、色差是由于成像电子的波长（或能量）不同引起的像差。
10、电磁透镜的分辨率，影响：
像差、衍射效应。
11、场深又称景深，是指在不影响透镜成像分辨本领的前提下，物平面可沿透镜轴移动的距离，反映了样品可在物平面上、下沿镜轴移动的距离或样品超过物平面所允许的厚度。
12、焦深又称焦长，是指在不影响透镜成像分辨本领的前提下，像平面可沿透镜轴移动的距离，反映了观察屏或照相底板可在像平面上、下沿镜轴移动的距离。
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（二）透镜电子显微分析
1、工作原理，P121。
2、在电子显微镜中常使用两类电子源：
热发射（热阴极）三级电子枪和场发射电子枪。
阴极材料常用钨丝或六硼化镧（LaB6）。
3、透射电镜成像系统主要由物镜、中间镜和投影镜三组电磁透镜组成。
4、在透射电镜操作过程中，主要是利用中间镜的可变倍率来控制电镜的放大倍数。
5、选区电子衍射，P130。
在物镜像平面处插入一个限定孔径的选区光阑。
6、简单电子衍射花样的标定，P131。
7、明场成像、暗场成像、中心暗场成像，P135。
8、像衬度是指图像上不同区域间明暗程度的差别。
9、非晶体样品透射电镜显微图像衬度是由于样品不同微区间存在原子序数或厚度的差异而形成的，即质量厚度衬度，简称质厚衬度。
10、由样品各处衍射强度的差异所形成的衬度称为射衬度
11、高分辨电子显微图像的形成原理是相位衬度原理。
（三）扫描电子显微分析
1、工作原理，P145。
2、在扫描电镜中，用来成像的信号主要是二次电子，其次是背散射电子和吸收电子，X射线和俄歇电子主要用于成分分析。
3、扫描电镜的分辨率通常就是指二次电子像的分辨率。
4、扫描电镜中各透镜都不作为成像透镜，而是作聚光镜用。
5、扫描系统的作用是提供入射电子束在样品表面上及显像管电子束在荧光屏上的同步扫描信号，通过改变入射电子束在样品表面的扫描幅度，以获得所需放大倍数的图像。
6、由于扫描电镜荧光屏尺寸是固定不变的，所以放大倍数的变化是通过改变入射电子束在样品表面的扫描幅度As来实现的。
7、影响扫描电镜图像分辨率的主要因素有：
（1）扫描电子束束斑大小。
（2）入射电子束在样品中的扩展效应。
低原子序数样品，电子束散射的区域形状为“梨形作用体积”，高原子序数样品，电子束散射的区域形状为“半球形作用体积”。
（3）成像信号所用的种类。
8、二次电子像具有较高的分辨率（几个纳米），常以二次电子像的分辨率作为衡量扫描电镜分辨率的主要指标。
9、表面形貌衬度是由于样品表面形貌的差别而形成的衬度，是扫描电镜最经常遇到的衬度机制。
形貌衬度的形成是由于某些信号，如二次电子、背散射电子等。
二次电子像的衬度是最典型的表面形貌衬度。
10、原子序数衬度是由于样品表面物质原子序数（或化学成分）差别面形成的衬度。
信号主要有背散射电子、吸收电子和特征X射线等。
（四）电子探针X射线显微分析
1、工作原理，P158。
波谱仪、能谱仪。
2、电子探针的三种基本工作方式，定点分析、线扫描分析和面扫描分析，定点分析又称为定点元素全分析，它既可以作定性分析又可以作定量分析。
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四、热分析
1、热分析，是指在程序控制温度的条件下，测量物质的物理性质随温度变化的函数关系的技术。
2、差热分析：
在程序控制温条件下，测量物质与参比物（热中性体）的温度差与温度或时间关系的一种热分析方法。
3、典型的差热曲线，P177。
4、差热分析的应用：
（1）含水矿物的脱水。
（2）矿物分解放出气体。
（3）氧化反应。
（4）非晶态物质转变为晶态物质。
（5）晶型转变。
5、差示扫描量热分析是在程序控制温度条件下测量输入到物质和参比物的能量差与温度（或时间）关系的一种热分析技术。
可定量地测定各种热力学、动力学参数（如热焓、熵、比热容等）。
6、典型的DSC曲线，P193。
7、热重分析是在程序控制温度条件下，测量物质的质量与温度的关系的热分析方法。
8、典型的热重曲线和微商热曲线，P197。
9、热膨胀分析，通过热膨胀仪可以测定物质的线膨胀系数和体膨胀系数。
10、DTA、DSC、TG各自分析的内容。
对应教材：
无机非金属材料研究方法，张颖、任耘、刘民生主编，冶金工业出版社。
适用于：
西安建筑科技大学华清学院。
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